Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планирование 2011

протеина и углевода. Такой результат дает возможность масштабировать массовые тормозные способности при расчете доз в негомогенной среде в соответствии с формулой (8.26), т.е. отпадает необходимость знать химический состав каждой ячейки.

3.5. Ограниченная массовая тормозная способность

Ограниченная массовая тормозная способность в воде
L (T	p	,T min ) необходима для расчета локального поглощения энер-
w		e

гии протонов. Ее величина определяется из следующего выражения:

			Lw (Tp ,Temin ) Sw (Tp ) M w (Tp ,Temin ) ,						(8.28)
где	M	w	(T	p	,T min ) – первый момент дифференциального сечения
					e
ионизации с образованием δ-электронов, равный
					max		d
					M (ne ,Tp ,Temin ) TTmine	Te		dTe .	(8.29)
					e		dTe

4.Структура и оборудование клинических центров протонной лучевой терапии

Втиповую структуру клинического центра ПЛТ входят следующие основные части: оборудование для предлучевой подготовки, включая развитый комплекс диагностического оборудования; систему планирования облучения и сопутствующие технологии; ускоритель; система транспортировки пучка к процедурным кабинетам; ряд процедурных кабинетов с фиксируемыми и вращающимися вокруг пациента пучками (гантри); позиционеры с системами центрации; системы формирования дозового поля; система управления

ускорителем. Остановимся подробнее на некоторых из них, используя материалы обзорной работы [4].

4.1.Ускорители протонов для лучевой

терапии

Ускорители протонов, предназначенные для лучевой терапии, должны иметь энергию пучка не менее 250 МэВ, чтобы было воз-

31

можно облучение глубоко расположенных опухолей. С другой стороны, для облучения опухолей, локализованных близко к поверхности, необходимо, чтобы энергия пучка могла быть понижена до 50 – 60 МэВ. Ток пучка, чтобы обеспечить время облучения, сравнимое со временем облучения при традиционной ЛТ, должен быть не менее 10 нА. Для ускорения протонов в центрах ПЛТ могут использоваться линейные ускорители, циклотроны и синхротроны. Однако линейные ускорители из-за их большой длины не нашли практического применения.

Рис. 8.8. Циклотрон компании IBA на максимальную энергию 235 МэВ диаметром 4 м и электропотреблением 400 кВт [4]

Достоинством циклотрона является отсутствие инжектора, в котором происходит предварительное ускорение протонов, достаточно простая конструкция и высокая интенсивность пучка. Однако вывод пучка протонов из циклотрона происходит при достижении протонами максимальной энергии, т.е. циклотрон должен оснащаться дополнительно устройством, с помощью которого происходило бы уменьшение энергии пучка. Такое устройство называют деградатор и оно достаточно дорогое (около 1 млн. долл. США). В нем ускоренные до максимальной энергии протоны сначала тормо-

32

зятся в веществе, а затем из пучка отбираются протоны с узким энергетическим спектром. Однако при этом падает интенсивность пучка и активируется материал, в котором происходит торможение протонов. К недостаткам циклотрона относится и большое потребление электроэнергии, так как он работает в непрерывном режиме. На рис. 8.8 приводится общий вид циклотрона, производимого для ПЛТ компанией IBA (Бельгия).

Синхротрон является ускорителем импульсного действия (рис. 8.9). Максимальная энергия протонов зависит, практически, только от размеров синхротрона и она изменяется при переходе от одного цикла ускорения к другому. Энергия внешнего пучка протонов в каждом цикле ускорения определяется моментом вывода пучка из ускорителя. Диаметр синхротрона примерно в два раза больше, чем у циклотрона на такую же максимальную энергию, но вес и электропотребление у синхротрона значительно меньше.

Рис. 8.9. Синхротрон в центре ПЛТ в г. Лома Линда (США) [4]

33

4.2.Гантри

Втрадиционной ЛТ применение многопольного и ротационного облучения является эффективным средством повышения дозы в опухоли по сравнению с окружающими тканями. Однако в первых центрах ПЛТ использовались только горизонтальные пучки, что объясняется непростыми проблемами (нерешенность технических вопросов, громоздкость и стоимость оборудования), связанными с созданием гантри для ПЛТ. Это, естественно, сужало сферу применения ПЛТ. Появление в 1991 г. первых гантри для протонных ускорителей позволило расширить список онкологических заболеваний, которые можно лечить с помощью ПЛТ (до 30 % от всего перечня). На рис. 8.10 показана классическая схема наиболее распространенного вида гантри. В этой схеме с помощью поворотных магнитов проводится параллельный перенос оси пучка протонов на некоторое расстояние (около 5 м) от оси вращения устройства. Затем пучок, пройдя еще два поворотных магнита, направляется на

пациента. Магнитная система как единое целое может поворачиваться вокруг оси на 360о.

Рис. 8.10. Принципиальная схема классической конструкции гантри с тремя поворотными дипольными магнитами [4]

Классическое гантри протонного ускорителя является крупногабаритным инженерным сооружением (около 15х11х11 м3) с вращаемым весом от 100 до 200 тонн. Несмотря на такие размеры отклонение пучка протонов от изоцентра во всем диапазоне углов

34

должно обеспечиваться в пределах 0,1 мм . Особенно впечатля-

ют размеры и стоимость гантри для облучения ионами. Схематическое представление и параметры такого устройства, построенного в Гельдерберге (Германия), показаны на рис. 8.11. Таким образом, строительство классического гантри является сложнейшей технической задачей, очень дорогой в реализации, поэтому массовое применение подобных установок вряд ли возможно.

Рис. 8.11. Схематическое представление классического гантри для ускорителя ионов C12, построенного в Гельдерберге (адаптировано из [16])

Альтернативным подходом является вращение пациента. Однако если вращать пациента в лежачем положении вокруг горизонтальной оси, то будет происходить значительное смещение внутренних органов. Вращение в стоячем положении подходит только для относительно небольшого процента новообразований. В основном,

35

это опухоли головы. Для облучения других локализаций требуется создание специального диагностического оборудования.

Новые более компактные, простые и менее дорогие решения, в то же время сравнимые по возможному выбору направлений облучения с гантри, можно разработать, если отказаться от некоторых привычных клинических требований:

в каждой процедурой комнате должна существовать возможность выбора любого направления облучения;

строгая неподвижность пациента при облечении в пределах одной фракции;

желательность реализации всех направлений облучения в каждой фракции могут быть разными.

Влитературе было предложено много компромиссных решений. Одним из ведущих специалистов в данной области является рос-

сийский физик Марк Кац, опубликовавший ряд работ по этому направлению, в частности обзорную работу [17]. Один из вариантов

заключается в отказе от гантри и выводе пучка в зал облучения под углами 0 и 45о. Для увеличения диапазона возможных направлений

облучения планируется применять небольшие (< ±15 градусов) повороты процедурного стола вокруг горизонтальной оси (рис. 8.12). Процедурный стол при этом оборудуется приборами для оперативной повторной диагностики (КТ) и внесения поправок в план облучения в случае возможного смещения мишени и критических органов. Подобную установку фирма SIEMENS строит в Марбурге. Недостатком этого решения является ограниченность доступного диапазона направлений облучения и возрастание времени облуче-

ния в каждой фракции. Кроме того, повторная диагностика создает дополнительную дозовую нагрузку на пациента.

Рис. 8.12. Диапазон возможных направлений облучения при выводе пучка под фиксированными углами 0 и 45о и небольших поворотах стола (< ±15 градусов) вокруг горизонтальной оси

36

Наиболее дешевыми и простыми с точки зрения механики являются так называемые плоские системы (англ. simple planar system

(SPS)). В плоских системах повороты пучка осуществляются неподвижными магнитами и только в вертикальной плоскости. При этом естественно перемещаются входные траектории пучка протонов, поэтому необходимо будет перемещать по вертикали проце-

дурный стол с пациентом. В литературе предложено несколько вариантов SPS [17], один из них показан на рис. 8.13. Свойства

SPS(F) могут быть улучшены при использовании предварительного поворота пучка в вертикальной плоскости на угол F.

В современных центрах ПЛТ обычно имеется несколько процедурных кабинетов, оснащенных гантри, и кабинеты с фиксированными горизонтальными пучками для облучения злокачественных новообразований в области головы и глаза. Это позволяет значительно повысить эффективность работы дорогостоящего оборудования и уменьшить стоимость лечения. Ускоритель и медицинские кабинеты связываются между собой каналами транспортировки пучка, которые включают в себя поворотные и фокусирующие пучок магнитные системы. Для примера на рис. 8.14 дан план разводки пучков в клиническом центре г. Лома Линда.

Рис.8.13. Плоская система поворота пучка протонов [16]

37

5.Система формирования дозового поля

5.1.Требования к параметрам пучков протонов

Врезультате многолетних исследований и наблюдений за паци-

ентами, облученных пучками протонов, мировое сообщество сформулировало изложенные в работах [7,8,9] требования к оборудованию центров ПЛТ, параметрам протонных пучков и дозовых распределений. Наиболее важными из них являются требования, предъявляемые к параметрам дозовых распределений. Некоторые из соображений, высказанных экспертами, приводятся в табл. 8.2.

Рис. 8.14. План транспортировки пучка от ускорителя к процедурным кабинетам

5.2. Формирование индивидуальных клинических пучков протонов

Пучок протонов, выходящий из ускорителя, является почти моноэнергетическим и имеет малое поперечное сечение. Преобразования такого пучка в индивидуальный клинический пучок проис-

ходит в специальной системе, которую в последнее время принято называть ―носиком‖ (англ. ―nozzle‖). Носик монтируется на око-

нечной части системы доставки пучка перед позиционером (процедурным столом) для размещения больного. В некоторых работах носик иногда называют ―линией пучка‖. Системы доставки пучка делятся на два класса в соответствии с методом расширения пучка: системы, использующие пассивный метод рассеяния пучка при его

38

прохождении через специальные фольги; системы, использующие метод динамического электромагнитного сканирования по объему мишени. Оба метода в настоящее время позволяют добиться примерно одинаковой степени конформности изодозовых распределений и мишенного объема. Рассмотрим подробнее первую систему как наиболее часто применяемую.

Таблица 8.2

Требования к основным параметрам протонных пучков и дозовых распределений [18]

Наименование	Предпочтительные	Минимально возмож-
	требования	ные требования
Пробег в воде	320 мм максимум	280 мм максимум
	35 мм минимум	50 мм минимум
Модуляция пробега	Шаги 5 мм по всей	Шаги 10 мм по всей
по водному эквивален-	глубине (2 мм для	глубине (3 мм для
ту	пробегов ≤ 50 мм)	пробегов ≤ 50 мм)
Окончательная	Шаги 1мм (0,5 мм для	Шаги 1мм
подстройка шага	пробегов ≤ 50 мм)
Средняя мощность до-	Для поля 25х25 см2 при	Для поля 25х25 см2 при
зы	глубине 320 мм –	глубине 280 мм –
	2 Гр/мин или больше	0,5 Гр/мин или больше
Размер поля	Горизонтальные пучки	Горизонтальные пучки
	≥ 40х40 см2	≥ 28х28 см2
	гантри ≥ 40х30 см2	гантри ≥ 26х22 см2
Равномерность дозы	2,5 % по всей мишени	4 % по всей мишени
Эффективное расстоя-	≥ 3 м	≥ 2 м
ние источник-поверх-
ность гантри
Падение дозы на зад-	Не более чем 0,1 г/см2	Не более чем 0,6 г/см2
ней	cверх физического	cверх физического
границе поля (80–20%)	предела из-за straggling	предела из-за straggling
Падение дозы на	Не более чем 2 мм сверх	Не более чем 4 мм
боковой границе поля	физического предела	сверх
(80 – 20 %)	из-за кулоновского	физического предела
	рассеяния в теле	из-за кулоновского
		рассеяния в теле

В современных конструкциях пассивных систем у протонно-

го носика можно условно выделить две основные части: линия пучка (англ. ―beam line‖); конечная часть носика (англ. ―snout‖). На

линии пучка происходит преобразование узкого и, как правило,

39

моноэнергетического пучка протонов в расходящийся пучок с требуемым энергетическим спектром. Конечная часть носика предназначена для индивидуальной трехмерной подстройки пучка к конкретному пациенту и локализации его опухоли. На рис. 8.15 дается схематическое изображение носика.

Первым элементом на линии пучка в носике является устройство расширения пучка и формирования равномерного поперечного дозового распределения. Это достигается с помощью нескольких фольг из материала с высоким атомным номером, которые обеспечивают рассеяние протонов на большие углы при малой потере энергии. Детальное описание методики расчета пространственного и углового распределения протонов после прохождения через систему рассеивающих фольг дается в работе [19].

Рис. 8.15. Схематическое изображение носика протонного облучателя

Далее следует устройство для формирования энергетического спектра пучка или распределения протонов по пробегам. Проблема здесь заключается в том, что протяженность области повышенной дозы (пик Брэгга) для моноэнергетических протонов невелика (см. рис. 8.1). Для расширения этой области пучок из моноэнергетического следует преобразовать в пучок с заданным спектром. Пробег протонов высокоэнергетической части спектра дол-

40